Урок на тему "Взаємодія електрично заряджених тіл"

11 клас                                                                                                      Дата ________

Урок №__1__

Тема уроку:   Взаємодія електрично заряджених тіл.

Мета уроку: повторити і закріпити закон всесвітнього тяжінні, пояснити фізичний

                      зміст закону Кулона, дати визначення електричному заряду і закону

                      збереження електричного заряду; навчити учнів розв’язувати

                      стандартні задачі з даної теми; розвивати логічне мислення;

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

Хід уроку.

І. Організаційний момент.

     Оголошення теми і мети уроку.

     Аналіз курсу фізики 11 класу.

ІІ. Повторюємо раніше вивчене.

    На відміну від короткодіючих сильних і слабких взаємодій, електромагнітні і гравітаційні взаємодії мають властивість дальньої дії: їх дія виявляється на дуже великих відстанях. Усі механічні явища в макроскопічному світі визначаються виключно гравітаційними й електромагнітними силами. Дія планет на супутники, політ артилерійських снарядів, плавання тіл в рідині - у всіх цих явищах виявляються гравітаційні сили.

    Між фізичними тілами діє сила взаємного притягання. Такі явища, як падіння тіл на Землю, рух Місяця навколо Землі, планет навколо Сонця і інші, відбуваються під дією сил всесвітнього притягання, які називають гравітаційними.

    Аналізуючи закони Кеплера і закони вільного падіння тіл на Землі, Ньютон дійшов до висновку, що сили притягання мають існувати не лише на Землі, а й у космосі.

    Закон, який характеризує сили притягання, уперше сформулював Ньютон в 1687 року під час вивчення руху Місяця навколо Землі. Це закон всесвітнього тяжіння: будь-які дві матеріальні точки притягуються одна до одної із силою, прямо пропорційною добутку їх мас і обернено пропорційною квадрату відстані між ними:

   де m і m - маси матеріальних точок; r - відстань між ними; G - гравітаційна стала, що чисельно дорівнює силі, з якою притягуються два тіла масою по 1 кг кожне, знаходячись на відстані 1 м одне від одного. Гравітаційну сталу визначено експериментальним шляхом. Вперше це зробив англійський вчений Кавендіш за допомогою крутильного динамометра (крутильних терезів).

    У СІ гравітаційна стала має значення

G = 6,67·10 Н·м /кг.

    Отже, два тіла масою 1 кг кожне, що знаходяться одна від одної на відстані 1 м, взаємно притягуються гравітаційною силою, що дорівнює 6,67·10 Н.

ІІІ. Вивчення нового матеріалу.

    Розділ електродинаміки, присвячений вивченню нерухомих електрично заряджених тіл, називають електростатикою.

    Усі тіла складаються з атомів і молекул. До складу атомів входять протони, нейтрони та електрони. Електрони несуть негативний заряд, величину якого визначено e = -1,6·10 Кл. Протони мають позитивний заряд 1,6·10Кл.

   Нейтрони мають заряд, що дорівнює 0. Електричні заряди є дискретними, тобто будь-який заряд більший від елементарного і чисельно дорівнює q = ± Ne (N = 1, 2, 3, … ).

    Електричний заряд - скалярна фізична величина, що є кількісною мірою здатності частинок до електромагнітної взаємодії і вимірюється в кулонах (Кл). Використовують менші одиниці. Величину заряду електрона знайдено з дослідів Р. Міллікена (1909 - 1914 рр.).
    Зарядові q = 1Кл відповідає такий заряд, який переноситься через поперечний переріз провідника постійним струмом   I = 1 А  за  час     t = 1 c:

q = It;

[q] = 1 Кл = 1 A·1 c.

    Заряд 1 Кл досить великий. На практиці використовують такі одиниці вимірювання:  нКл, мкКл.

    Про наявність зарядів на тілах можна судити із притягання, відштовхування тіл, яким надано заряди. Заряд тіл вимірюють за допомогою електроскопів і електрометрів.

    Здатність електричних зарядів як до взаємного притягання, так і до взаємного відштовхування пояснюється передбаченням про існування двох різних видів зарядів. Один вид електричного заряду називають позитивним, а другий - негативним. Тіла, що мають заряди однакового знака, відштовхуються, а тіла із зарядами різних знаків притягуються. Наприклад, ядро атома має позитивний заряд. Заряд електронів негативний, тому електрони в атомі притягуються до ядра.

За нормальних умов тіла є електронейтральними, тому що заряди всередині них взаємно скомпенсовані, рівномірно розподілені в об'ємі тіла. Якщо тіло містить більшу кількість заряджених частинок одного знака, ніж іншого, воно є зарядженим. Саме цей надлишковий заряд визначає собою електричні властивості тіла і його називають зарядом тіла. Надлишкова кількість електронів приводить до появи на тілі негативного заряду і навпаки. Багато тіл складається з атомів, в яких зовнішні електрони легко можуть бути втрачені або ці тіла легко приймають зайві електрони, а заряд їх ядер при цьому залишається незмінним. Якщо привести в контакт два таких тіла (наприклад, потерти), то електрони з одного тіла перейдуть до другого, тобто перше тіло зарядиться позитивно, а друге негативно. Поділ на негативні і позитивні заряди умовний.

    Процес, що приводить до появи на тілах або різних частинах одного тіла надлишку електричного заряду, називають електризацією. Електризація може відбуватися під дією світла й інших взаємодій, однак внаслідок електризації завжди виконується закон збереження заряду: в ізольованій системі заряджених тіл алгебраїчна сума зарядів - величина стала:

q + q + … +  q = const або  q = const.

    Цей закон є фундаментальним законом, як і закон збереження імпульсу, енергії.

    Справедливість закону збереження заряду підтверджується спостереженнями над величезною кількістю перетворень елементарних частинок. Причина збереження заряду наразі невідома.

    У природі точкових заряджених тіл не існує, але якщо відстань між тілами набагато більша від їх розмірів, то ні форма, ні розміри заряджених тіл суттєво не впливають на взаємодію між ними. У такому разі ці тіла можна вважати точковими.

Закон взаємодії точкових заряджених тіл установив 1785 року французький вчений Ш. Кулон. Це основний закон електростатики. Його отримано за допомогою крутильних терезів (рис.4.1.2).

    Крутильні терези складаються зі скляної палички a, підвішеної на тонкій пружній нитці l. На одному кінці палички закріплено маленьку металеву кульку b, на другому - противагу c. Ще одну металеву кульку d закріплено на кришці терезів нерухомо.

    Якщо кульки зарядити, то в результаті їх взаємодії паличка повертається в горизонтальній площині. За кутом закручування нитки можна визначити силу взаємодії зарядів. Кулон встановив, що сила взаємодії F пропорційна величині зарядів кульок b (q) і c (q) і обернено пропорційна квадрату відстані між ними r:

    Щоб перейти до рівності, було введено коефіцієнт пропорційності k, що залежить від вибору системи одиниць вимірювання. У СІ

    де e = 8,85·10 Ф/м - електрична стала. Остаточно закон Кулона для взаємодії нерухомих точкових заряджених тіл у вакуумі має таку форму запису:

    Значення k є додатним, тоді різнойменним зарядам відповідає від'ємна сила (притягання), однойменним - додатна сила (відштовхування).

    Таку саму форму має закон всесвітнього тяжіння: замість зарядів у формулу закону тяжіння входять маси, а роль коефіцієнта k відіграє гравітаційна стала G.

     Сили взаємодії називають центральними. Згідно з третім законом Ньютона 

Це можна продемонструвати за допомогою двох однойменно заряджених кульок (рис.4.1.3), підвішених на нитках.

    У разі взаємодії різнойменних зарядів (рис. 4.1.4), наприклад, q > 0, q < 0 або

 q < 0, q > 0, заряди притягуються і навпаки.

    Закон Кулона формулюється так: два нерухомі точкові заряджені тіла взаємодіють із силою, прямо пропорційною добутку цих зарядів і обернено пропорційною квадрату відстані між ними. Сили взаємодії заряджених тіл чисельно рівні між собою і напрямлені вздовж прямої, що з'єднує ці тіла.

        Кулон проводив дослідження в повітрі, в якому сила взаємодії зарядів досить точно збігається з силою взаємодії зарядів у вакуумі. Подальші дослідження показали, що наявність речовини навколо заряджених тіл впливає на силу їх взаємодії. Вплив середовища на силу цієї взаємодії можна оцінити, якщо порівняти сили взаємодії між точковими зарядженими тілами у вакуумі (F) і в середовищі (F). Назвемо відношення сил  діелектричною проникністю середовища (відносно вакууму) і позначимо його через e:

    Із рівняння випливає, що - безрозмірна величина.

    Таким чином, за наявності непровідного середовища, в яке вміщено заряди, закон Кулона набуде вигляду:

    Для вакууму = 1, для гасу = 2, сухого паперу = 2 - 2,5, у дистильованої води = 81.

ІV. Розв’язування задач.

№ 1.1 Скільки електронів проходять через поперечний переріз провідника за 3 хв. При силі струму 2А?

Розв’язання

№ 1.2  Протон і електрон атому водню зазнають гравітаційне і електричне притягання. Яка із взаємодій більша і в скільки разів?

№ 1.3

Знайти відстань між зарядами q₁=1мкКл, q₂=6мкКл, якщо сила взаємодії дорівнює 9мН.

№ 1.4 Дві кульки, розташовані на відстані 20 см одна від одної, мають однакові негативні заряди й взаємодіють із силою 0,46 мН. Визначити кількість “надлишкових” електронів на кожній кульці.

№ 1.5 Дано три однойменні заряди: q₁=12 нКл, q₂=20 нКл і q₃=5 нКл. Заряди q₁ і q₂ розташовані на відстані 8 мм. Заряд q₃ розташований на відстані 3 мм від q₁ і 5 мм від q₂. Яка сила діятиме на заряд q₃? Як змінюється сила, якщо q₂=-20 нКл?

Розв’язання
A)

Б)

№ 1.6 Однакові металеві кульки q₁=5 нКл і q₂=11 нКл знаходяться на відстані 8 мм одна від одної. Кульки доторкнули одну до одної. На яку відстань їх треба розвести, щоб сила взаємодії не змінилася?

V. Закріплення нового матеріалу.

Запитання для самоперевірки:

1. Які взаємодії називають електромагнітними?

2. Що таке електричний заряд?

3. У чому схожість і відмінність електричного заряду і гравітаційної маси?

4. Як взаємодіють однойменні і різнойменні електричні заряди?

5. Який заряд називають елементарним? Яким є його значення?

6. У чому полягає явище електризації? Поясніть це явище з погляду електронної теорії.

7. Коли тіло буває електрично нейтральним, а коли зарядженим?

8. Чи відбудеться електризація двох тіл, що складаються з однакової речовини, під час їх дотику?

9. Сформулюйте закон збереження електричного заряду.

10. У яких випадках виконується закон збереження заряду?

11. Що визначає закон Кулона?

12. Як формулюють і записують закон Кулона для взаємодії зарядів у вакуумі?

13. Яка фізична величина характеризує вплив середовища на силу взаємодії між зарядами?

14. Запишіть закон Кулона для взаємодії зарядів з урахуванням середовища в системі СІ.

15. Чому дорівнює коефіцієнт пропорційності k в законі Кулона в СІ?

16. Чому дорівнює електрична стала e0?

17. Установіть одиницю електричного заряду в СІ, сформулюйте її означення.

18. Яке значення заряду і маси електрона?

19. Чи можна електричний заряд ділити нескінченно?

VІ. Підсумок уроку.

Домашнє завдання:

§1 Впр. 1